[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수팀이 촉감이나 촉각 증강기술에 활용이 가능하도록 3D 나노 구조체를 활용해 탄성 변형률이 3배로 향상된 압전 세라믹 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

최근 들어 시각 및 청각보다 상대적으로 발전이 더딘 촉감 구현과 증강 기술이 주목을 받고 있다.

촉각 증강 기술은 의료용 로봇을 주축으로 한 로봇 기술뿐만 아니라 촉각을 통해 정보를 전달하는 햅틱 디스플레이, 햅틱 장갑 등 정보 전달 기술에 활용할 수 있다.

이러한 촉각 증강 분야에서는 전기적-기계적 결합이 있는 압전 재료의 활용이 필수적이다.

압전 재료는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하거나 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있는 소재로서 촉각 증강 분야에서 사용자에게 촉각을 전달하거나 사용자의 움직임을 전기적 신호로 변형시키는데 적합한 소재다.

촉각 증강 소재에서 중요한 것은 압전 재료의 중요한 특징인 압전 계수와 탄성 번형률이다.

압전 계수는 기계적 힘과 전기적 전하량 간의 변환 효율을 나타내는 수치로써 촉각 증강 장치의 감도에 영향을 준다.

또 탄성 변형률은 소재가 가질 수 있는 기계적 변형 한계를 나타내는 수치인데 소재 및 장치가 가지는 유연성에 영향을 준다.

따라서 촉각 증강 기술로 활용하기 위해서는 압전 계수와 탄성 변형률 모두가 높은 압전 소재를 개발하는 것이 필수적이지만 압전 세라믹 소재의 경우 압전 계수는 높으나 탄성 변형률이 낮고, 고분자 소재는 탄성 변형률은 높으나 압전 계수가 낮아 하나의 소재에서 높은 압전 계수와 탄성 변형률을 모두 얻기는 힘들다.

특히 세라믹 소재는 상대적으로 높은 압전 계수에도 불구하고 소재 내부의 결함으로 인해 탄성 변형률을 높이기가 어려워 아직 실용화 단계까지는 이르지 못하고 있다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 근접장 나노 패터닝(Proximity field nanopatterning, PnP) 기술과 원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD) 기술을 이용해 3차원 나노 트러스(truss) 구조를 갖는 산화물 아연 (ZnO) 세라믹을 제작했다.

이후 나노 인덴테이션 (Nano-indentation) 기술과 압전 감응 힘 현미경(Piezoelectric force microscopy, PFM) 기술을 이용해 제작된 구조체의 높은 기계적 특성과 압전 특성을 입증했다.

홍 교수팀이 개발한 압전 아연 산화물 구조체는 100 나노미터(nm) 이하의 두께를 가지면서 내부가 비어있는 트러스 구조체이며 기존 세라믹이 보유하고 있는 내부 결함의 크기를 나노미터 단위로 제한해 재료의 기계적 강도를 증가시켰다.

이 아연 산화물 트러스 구조체의 탄성 변형률은 10% 수준으로 기존 아연 산화물 대비 3배나 더 큰 것으로 나타났으며 압전 계수 역시 9.2 pm/V로 박막 형태의 아연 산화물보다 2배 이상 더 큰 값을 보였다.

홍승범 교수는 “이번 연구 결과를 촉각 증강 소자에 바로 적용하기에는 공정적인 측면에서 다소 보강작업이 필요하지만 소재 활용에 큰 문제가 됐던 기계적 한계를 극복해 압전 세라믹 소자로의 응용 가능성을 연 것”이라고 말했다.

KAIST 신소재공학과 김훈 박사과정, 윤석중 박사과정, 김기선 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

이 연구는 KAIST 신소재공학과 전석우 교수와 한승민 교수 연구팀과 함께 진행됐으며 과학기술정보통신부·한국연구재단 및 KAIST 글로벌특이점 연구 지원으로 국제 학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 게재됐다.